建筑群落

建筑群落做為城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，包括住宅、商用和工業(yè)建筑、醫(yī)院、學(xué)院、行政建筑等。保證建筑群落的災(zāi)害韌性是城市防災(zāi)減災(zāi)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，原因在于：一方面，建筑群落的功能需求依賴于城市生命線網(wǎng)絡(luò)提供的基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)；另一方面，建筑群落是否安全可靠直接影響居民和用戶的生活和工作質(zhì)量，從而影響城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定。本課題組提出了一系列建筑群落抗震韌性評(píng)估與規(guī)劃的基本框架[Lin & Wang, 2018]，包括：

（1）基于概率的城市區(qū)域建筑群落災(zāi)害損傷分析和損失估計(jì)[Lin & Wang, 2016]；分析過(guò)程中考慮了各建筑所在場(chǎng)地的災(zāi)害強(qiáng)度以及建筑的結(jié)構(gòu)反應(yīng)的不確定性和空間相關(guān)性；

（2）基于概率的建筑群落災(zāi)后功能損失評(píng)估；其中建筑的功能狀態(tài)是由建筑本身的損傷和建筑所在場(chǎng)地的基本服務(wù)設(shè)施（例如水電）供給量的狀態(tài)共同決定[Zhang et al, 2016]；

（3）采用連續(xù)時(shí)間馬爾可夫過(guò)程模擬建筑群落災(zāi)后功能恢復(fù)過(guò)程；該模型把影響建筑功能恢復(fù)過(guò)程的時(shí)間分為三部分（即建筑維修前的準(zhǔn)備時(shí)間、維修/重建時(shí)間、和基礎(chǔ)設(shè)施供給恢復(fù)時(shí)間）。這些時(shí)間組成本質(zhì)上反映了建筑維修和重建的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以及城市區(qū)域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件、救災(zāi)資源和能力、政策規(guī)劃等客觀條件[Lin & Wang, 2017a, 2017b]；

（4）基于多目標(biāo)優(yōu)化的決策模型，服務(wù)于求解以提高城市韌性為目標(biāo)的建筑群落災(zāi)前加固和災(zāi)后重建最優(yōu)策略[Lin et al., 2016; Wang & Wang, 2017]；

（5）把建筑群落損傷分析與經(jīng)濟(jì)社會(huì)模型相結(jié)合，作為以經(jīng)濟(jì)社會(huì)韌性為指標(biāo)的防災(zāi)減災(zāi)規(guī)劃的理論基礎(chǔ)。例如本課題組將建筑群落災(zāi)害損傷分析與社會(huì)模型相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了災(zāi)害發(fā)生后返家的住戶個(gè)數(shù)的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)；該模型的假設(shè)為住房是否返家取決于住宅、商用建筑、與學(xué)校的功能恢復(fù)，以及住戶的社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件[Lin & Wang, 2019]。

圖1. 建筑群落韌性評(píng)價(jià)與決策基本框架

圖2. 典型范例可視化

交通網(wǎng)絡(luò)（基于韌性理念的減災(zāi)、應(yīng)急、恢復(fù)決策）

本課題組發(fā)展了一套基于風(fēng)險(xiǎn)的分階段交通網(wǎng)絡(luò)韌性規(guī)劃決策框架，可用于災(zāi)前減災(zāi)優(yōu)先級(jí)確定（第一階段）、災(zāi)后應(yīng)急資源調(diào)配（第二階段）以及長(zhǎng)期恢復(fù)過(guò)程優(yōu)化（第三階段）。該框架包括兩部分：（I）分階段韌性評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系。該體系包含三個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，分別對(duì)應(yīng)三個(gè)不同階段的特定決策過(guò)程[Zhang et al., 2017]；（II）分階段決策模型（數(shù)學(xué)上是一個(gè)隨機(jī)多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題），包括了經(jīng)費(fèi)約束條件下災(zāi)前加固項(xiàng)目的優(yōu)先級(jí)[Zhang & Wang, 2017]、時(shí)間約束下災(zāi)后緊急救援時(shí)的資源調(diào)度以及人力物力資源約束下的恢復(fù)重建的施工排序[Zhang et. al, 2017]。該決策框架已被應(yīng)用于田納西州Shelby郡的公路網(wǎng)絡(luò)。

圖3. 交通網(wǎng)絡(luò)三階段決策優(yōu)化（Zhang et al., 2017）

水電網(wǎng)絡(luò)

城市各基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)是一個(gè)功能耦合的整體，正所謂“牽一發(fā)而動(dòng)全身”，某一個(gè)系統(tǒng)的破壞也會(huì)造成其他一個(gè)或者多個(gè)系統(tǒng)的功能受到影響，甚至完全破壞。作為級(jí)聯(lián)失效的典型破壞案例，我們著重分析了城市水電網(wǎng)絡(luò)之間的功能耦合關(guān)系[Zhang et al., 2018]。首先，我們提出了一種全新的概率分析框架來(lái)預(yù)測(cè)震后社區(qū)建筑環(huán)境的功能損失，這種建筑環(huán)境不僅包含建筑物，同時(shí)還包括水電系統(tǒng)和交通網(wǎng)絡(luò)。這一分析方法充分考慮了在一致的空間尺度上具有不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和災(zāi)害響應(yīng)特征的物理系統(tǒng)之間的功能耦合，并在此基礎(chǔ)上提出了一個(gè)基于物理機(jī)制的、量化的、涵蓋整個(gè)社區(qū)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的功能損失評(píng)價(jià)模型。利用這一模型，可以進(jìn)一步得到每個(gè)系統(tǒng)的抗災(zāi)需求和其結(jié)構(gòu)響應(yīng)參數(shù)的不確定性和它們之間的空間相關(guān)性。該模型采用了基于網(wǎng)絡(luò)流理論的方法來(lái)模擬特性各異網(wǎng)絡(luò)之間的功能依存關(guān)系。該分析揭示并量化了災(zāi)害強(qiáng)度的空間變化、建筑物和公共基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)組件的固有脆弱性，相互依存的公共基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中的級(jí)聯(lián)失效以及公共網(wǎng)絡(luò)中剩余供應(yīng)能力的再分配，從而量化了社區(qū)建筑環(huán)境災(zāi)后的各項(xiàng)功能損失和空間分布。為城市的防災(zāi)減災(zāi)以及韌性規(guī)劃決策提供了豐富的信息支持.

另一方面，研究中心在城市供水管網(wǎng)的抗震防災(zāi)方面，展開了深入持久的研究，這不僅僅包括地下管線的地震反映試驗(yàn)和理論的多重分析[Miao et al., 2016; Liu, Song & Miao, 2018]、管土相互作用分析[Liu et al., 2018]，還包括以城市供水管網(wǎng)物理機(jī)制為基礎(chǔ)的管網(wǎng)抗震功能分析[繆惠全 & 李杰, 2018]和抗震可靠性分析[Miao, Liu & Li, 2018]，從而為城市供水管網(wǎng)的抗震分析奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖4. 地震災(zāi)害作用下的水網(wǎng)、電網(wǎng)、建筑群落功能損失估計(jì)（Zhang et al., 2018）

系統(tǒng)耦合

本課題組提出了一種基于概率的城市各基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)（建筑群落、水網(wǎng)、電網(wǎng)、和交通網(wǎng)絡(luò)）協(xié)同分析框架[Zhang et al., 2018]。這個(gè)框架獲得城市區(qū)域內(nèi)不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和災(zāi)害反應(yīng)特征的物理系統(tǒng)的功能分析；提供了一套基于物理的功能損失量化和恢復(fù)預(yù)測(cè)模型。它的優(yōu)勢(shì)具體體現(xiàn)在（1）分析過(guò)程中考慮了災(zāi)害強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)響應(yīng)的隨機(jī)性和空間相關(guān)性；（2）采用“系統(tǒng)的系統(tǒng)”的方法研究城市建筑群落和各類基礎(chǔ)設(shè)施之間由于功能耦合所產(chǎn)生的級(jí)聯(lián)效應(yīng)；（3）通過(guò)對(duì)各系統(tǒng)模型之間的實(shí)時(shí)信息傳遞實(shí)現(xiàn)同步整體恢復(fù)的量化預(yù)測(cè)和獲得最優(yōu)恢復(fù)策略；（4）采用以大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)的高效解耦算法，例如復(fù)雜相關(guān)系統(tǒng)的崩潰擴(kuò)散過(guò)程采用網(wǎng)絡(luò)流分析和混合整數(shù)線性規(guī)劃模型相結(jié)合的方法。

圖5. 災(zāi)害作用下城市基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)耦合分析（Zhang et al., 2018）

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